Karbondioksid forekommer normalt som en fargeløs gass. I solid form heter det tørris. Den kjemiske eller molekylære formelen for karbondioksid er CO2. Det sentrale karbonatom er forbundet med to oksygenatomer ved kovalente dobbeltbindinger. Den kjemiske strukturen er sentrosymmetrisk og lineær, så karbondioksid har ingen elektrisk dipol.
Karbondioksid er løselig i vann, der det fungerer som en diprotinsyre, først dissosieres for å danne bikarbonationet og deretter karbonat. En vanlig misforståelse er at alt oppløst karbondioksid danner kullsyre. Det meste oppløste karbondioksid forblir i molekylær form.
Begge vann (H2O) og karbondioksid (CO2) består av atomer forbundet med polare kovalente bindinger. Ennå, vann er et polart molekyl mens karbondioksid er ikke-polar. Polariteten i de kjemiske bindingene i et molekyl er ikke tilstrekkelig til å gjøre molekylet polært. Hvert vannmolekyl har en bøyd form på grunn av det ene elektronparet på oksygenatom. Hver C = O-binding i karbondioksid er polar, med oksygenatomet som trekker elektronene fra karbon mot seg selv. Ladningene er like i størrelse, men motsatt i retning, så nettoeffekten er å produsere et ikke-polært molekyl.